Учебное пособие разработано в соответствии с требованиями фгос впо подготовки выпускников по направлениям 151000. 62 «Технологические машины и оборудование»




НазваниеУчебное пособие разработано в соответствии с требованиями фгос впо подготовки выпускников по направлениям 151000. 62 «Технологические машины и оборудование»
страница9/9
Дата публикации16.07.2013
Размер1.81 Mb.
ТипУчебное пособие
zadocs.ru > Право > Учебное пособие
1   2   3   4   5   6   7   8   9
Тема 5. ПЛАСТМАССЫ, РЕЗИНЫ, ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ.
5.1. Пластмассы.

Пластическими массами или просто пластмассами называют материалы, изготовленные на основе полимеров. Состав пластмасс разнообразен. Простые пластмассы – это полимеры без добавок. Сложные пластмассы – это смеси полимеров с различными добавками, такими как наполнители, стабилизаторы, пластификаторы и т. д.

Наполнители добавляют в количестве 40-70 % по массе для повышения механических свойств, снижения стоимости и изменения других параметров. Наполнители – это органические и неорганические вещества в виде порошков (древесная мука, сажа, слюда, кварцевый песок, тальк, двуокись титана, графит), волокон (хлопчатобумажные, стеклянные, асбестовые, полимерные) и листов (бумага, ткани из различных волокон, древесный шпон).

Стабилизаторы – различные органические вещества, которые вводят в количестве несколько процентов для сохранения структуры молекул и стабилизации свойств. Пластмассы имеют свойство стареть в связи изменением структуры молекул. Добавки стабилизаторов замедляют старение.

Пластификаторы добавляют в количестве 10…20 % для уменьшения хрупкости и улучшения формуемости. Пластификаторами являются вещества, которые уменьшают межмолекулярное взаимодействие и хорошо совмещаются с полимерами. Часто пластификаторами служат эфиры, а иногда и полимеры с гибкими молекулами.

^ Специальные добавки – смазочные материалы, красители, добавки для уменьшения статических зарядов и горючести, для защиты гот плесени, ускорители и замедлители отверждения и другие – служат для изменения или усиления какого-либо свойства.

Отвердители, изменяя структуру полимеров, влияют на многие свойства пластмасс. Чаще всего используют такие отвердители, которые ускоряют полимеризацию (оксиды некоторых металлов, уротропин и другие вещества).

В зависимости от поведения при нагревании полимеры делятся на две группы – термопластичные и термореактивные. Термопластичные полимеры при нагревании размягчаются, а при охлаждении затвердевают. Никаких необратимых химических превращений при нагревании и охлаждении в этих полимерах не происходит.

Термореактивные полимеры или реактопласты при нагревании претерпевают необратимые химические превращения, в результате которых они твердеют, утрачивают растворимость в различных средах и способность к изменению формы.

Основой классификации пластмасс служит химический состав полимера.

Применение пластмасс как конструкционных материалов экономически целесообразно. По сравнению с металлами переработка пластмасс менее трудоемка, число операций в несколько раз меньше и отходов получается немного. Пластмассовые детали, как правило, не нуждаются в отделочных операциях.

Характерными особенностями пластмасс являются малая плотность - 1000…2000 кг/м3, а у пенопластов от 15 до 800 кг/м3; высокая химическая стойкость; хорошие электроизоляционные свойства; невысокая теплопроводность – 0,2-0,3 Вт/(мК) и значительное тепловое расширение, в 10…30 раз больше, чем у обычных сталей. К недостаткам пластмасс относятся низкая теплостойкость, большинство из них разлагается при температурах 150-300 С, малая жесткость и небольшая вязкость по сравнению с металлами.
5.1.1. Термопластичные пластмассы

К основным термопластичным материалам, применяемым в промышленности относятся полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полистирол, органическое стекло, полиамиды и фторопласт.

Эти материалы изготавливают из высокомолекулярных органических соединений. Исходным сырьем, как правило, служат низкомолекулярные соединения. Макромолекулы имеют линейную или разветвленную форму.

Полиэтилен получают полимеризацией этилена CH2 = CH2. В результате образуются линейные молекулы с повторяющимся звеном (- CH2 - CH2 -)n. При полимеризации при температуре 80 С и давлениях ниже 200 МПа получают полиэтилен низкого давления (ПЭНД) или высокой плотности (ПЭВП). Если полимеризация осуществляется при давлениях 300…400 МПа и температуре 150 С, получают полиэтилен среднего давления (ПЭСД). При более высоких давлениях и температуре 200…300 С получают полиэтилен высокого давления (ПЭВД) или низкой плотности (ПЭНП). Предел прочности при растяжении составляет 8…16 МПа для ПЭВД, 21-29 МПа для ПЭСД и 26,5-32,5 для ПЭНД. Относительное удлинение меняется от 200 % для ПЭНД до 800 % для ПЭВД. Температура плавления полиэтилена находится в пределах от 105 до 130 С. Изделия из ПЭВД могут эксплуатироваться до 60 С, из ПЭНД – до 100 С. Изделия становятся хрупкими при температуре ниже –70 С. Полиэтилен обладает водостойкостью, стоек в растворах серной и соляной кислот, щелочах.

Пленки из полиэтилена газопроницаемы, но водяные пары проникают плохо. Поэтому их используют для упаковки продуктов. Полиэтилен является экологически безвредным, поэтому его применяют в медицине, жилищном строительстве, в пищевом машиностроении.

Полипропилен получают полимеризацией пропилена. Химическая формула повторяющегося звена молекул - . Технологический процесс производства полипропилена во многом сходен с производством полиэтилена низкого давления. Полипропилен имеет более высокую прочность, чем полиэтилен (в = 25-40 МПа), обладает высокой ударной вязкостью, может эксплуатироваться без нагрузки до 150 С. Имеет низкую морозостойкость – до –30 С.

Полипропилен перерабатывается штамповкой, литьем под давлением, прессованием, его можно сваривать, напылять на металл, ткань, картон, подвергать механической обработке. Полипропилен применяют для изготовления труб, пленки, синтетического волокна. Из синтетического волокна делают технические ткани, канаты. Пленки из полипропилена обладают высокой прозрачностью, теплостойкостью, имеют малую газо- и паропроницаемость. Полипропилен применяют также и для изготовления пористых материалов – пенопластов.

Из поливинилхлорида (- CH2 – CHCl -)n изготавливают два вида пластмасс – винипласт и пластикат.

Винипласт представляет собой жесткий поливинилхлорид, не содержащий пластификаторов. Его выпускают листов, труб, пленок и сварочных прутков. Пленочный винипласт используют в качестве антикоррозионного покрытия, футеровки химической аппаратуры, для изоляции электрических проводов. Срок службы винипласта в 2…3 раза больше, чем у других неметаллических коррозионностойких материалов. В качестве конструкционного материала может заменять цветные металлы, так как имеет относительно высокий предел прочности (в = 50…65 МПа). Винипласт хорошо обрабатывается на металло- и деревообрабатывающих станках, поддается сварке и склеиванию. При нагреве склеивается с металлом и бетоном. Его применяют для упаковки лекарств и пищевых продуктов, для изготовления обложек книг и папок, для электротехнических целей, вентиляционных воздуховодов и других конструкций.

Пластикат представляет собой пластифицированный поливинилхлорид. Пластикат обладает хорошей стойкостью к старению, эластичен, влагонепроницаем, негорюч, стоек против действия бензина и различных масел. Морозостоек до –50 С. Пластикат используется для изготовления различных изделий, в частности – линолеума.

Полистирол получают полимеризацией стирола. Он имеет химическую формулу . Полистирол является твердым материалом, устойчив к воздействию растворов кислот, щелочей, светостоек. Растворяется в органических растворителях. Полистирол является отличным диэлектриком при температурах от –80 до +110 С. Его используют для изготовления изоляторов, фасонных изделий, лент и труб для изоляции проводов, корпуса электроприборов, телефонов.

Полиметилметакрилат (органическое стекло) получают на основе метакриловой кислоты в пластифицированном и непластифицированном состоянии. Органическое стекло обладает высокой механической прочностью (в = 80 МПа), отсутствием хрупкости до – 60 С. Органическое стекло толщиной 3 мм пропускает 91…92 % ультрафиолетовых лучей (силикатное лишь 0,6…3 %), большую часть инфракрасных лучей, до 75 % видимого света. Обладает хорошими диэлектрическими свойствами и стойкостью к старению в естественных условиях. Органическое стекло используют при производстве осветительной аппаратуры, для стекол самолетов и автомобилей и т. д. Органическое стекло легко сваривается и склеивается растворами в ацетоне или дихлорэтане.

Полиамиды представляют собой сложные полимеры, содержащие амидные группы . В настоящее время синтезировано очень большое число полиамидов, но наибольшее промышленное использование получили капрон, нейлон и лавсан. Перерабатывают полиамиды в изделия литьем под давлением, экструзией и центробежным литьем. Полиамиды отличаются высокой прочностью (в = 75-85 МПа) особенно при ударных нагрузках, хорошей эластичностью (волокно из полиамида или пленку можно удлинить в 4-6 раз). Они имеют хорошие антифрикционные свойства. Их коэффициент трения уступает лишь фторопластам. Полиамиды относятся к числу важнейших конструкционных неметаллических материалов благодаря сочетанию высокой удельной прочности с высокой коррозионной стойкостью. Из полиамидов изготавливают подшипники, вкладыши к подшипникам, втулки, муфты, лопасти гребных винтов, электроизоляторы, медицинские инструменты.

К числу недостатков полиамидов относятся низкая морозоустойчивость, резкая зависимость свойств от поглощения воды, резкое снижение прочности при температурах выше 100 С.

Фторопласты представляют собой полимеры трифторхлорэтилена (-CF2-CFCl-)n – фторопласт-3, и тетрафторэтилена (-CF2 -CF2-)n – фторопласт-4.

Фторопласт-3 характеризуется высокими электроизоляционными свойствами, хорошей химической стойкостью и теплостойкостью, охрупчивается лишь при температуре ниже –120 С. Фторопласт-3 выпускается в виде мелкодисперсного, легкосыпучего порошка и плавится при температуре 210 С. Применение фторопласта-3 допускается до 70 С, при отсутствии механических нагрузок – до 100 С. Он не смачивается водой, не набухает в ней, не разрушается под действием разбавленных азотной, серной, соляной кислот, концентрированных растворов щелочей.

Фторопласт-3 используется для изготовления фасонных изделий и уплотнительных элементов. Позволяет получать защитные пленки на изделиях из углеродистой и легированной стали, на алюминии и его сплавах. Пленки получают нанесением на поверхность суспензии фторопласта-3 в смеси этилового спирта с ксилолом. Затем смесь высушивают сначала при 50-60 С, а потом при 150 С. Высушенное покрытие сплавляется при 260-270 С в течение 10-20 минут.

Фторопласт-4 (торговое название - тефлон) не изменяет своих свойств в интервале температур от –190 до +260 С. Имеет низкий коэффициент трения. Имеет низкую адгезию к металлам и другим материалам. Используется в виде химически стойких труб, шлангов, прокладок, сальниковой набивки, клапанов и фильтров для кислот, подшипников скольжения, не требующих смазки. Недостатком фторопласта-4 является низкая твердость и склонность к ползучести.
5.1.2. Термореактивные пластмассы

Термореактивные пластмассы отличаются от термопластичных повышенной теплостойкостью, практически полным отсутствием ползучести под нагрузкой при обычных температурах, постоянством физико-механических свойств в интервале температур их эксплуатации. Термореактивные пластмассы получают на основе эпоксидных, полиэфирных, полиуретановых, фенолформальдегидных и кремнийорганических полимеров с различными наполнителями.

Из этого класса пластмасс наиболее распространенными являются фенолформальдегидные пластические массы, имеющие общее название – фенопласты. При термической деструкции полимеров этого типа образуется углеродистый остаток (так называемый кокс), обладающий высокой термостойкостью.

При нагревании или в присутствии отвердителей смолы переходят в полимеры, имеющие сетчатое строение. В зависимости от характера наполнителя и степени его измельченности фенопласты подразделяют на пресс-порошки, волокниты и слоистые пластики.

Пресс-порошки применяют для изготовления как технических, так и бытовых изделий. От характера наполнителя зависят механическая прочность, теплостойкость, химическая стойкость и диэлектрические свойства. Из органических наполнителей чаще всего используют древесную муку, из неорганических – слюду, кварц, плавиковый шпат, каолин. Пластмассы с минеральными наполнителями превосходят по свойствам пластмассы с органическим наполнителем. Максимальная температура эксплуатации составляет 200 С. Пресс-материалы с порошковыми наполнителями обладают относительно невысокими механическими свойствами, при растяжении в = 30…60 МПа, при сжатии в = 150…190 МПа.

При использовании волокнистых наполнителей из асбеста, хлопковой целлюлозы и стеклянного волокна прочность повышается до в = 90 МПа при растяжении и в = 1200 МПа при сжатии. При увеличении длины волокон до 30 мм ударная вязкость возрастает с 90 кДж/м2 до 200 кДж/м2.

При использовании в качестве наполнителя асбестового волокна и новолачной смолы получают асбоволокнит. Из него получают изделия общетехнического назначения: переключатели, фланцы, рукоятки, шестеренки. Материал стоек к воздействию воды, слабых растворов кислот, щелочей, достаточно термостоек – до 300 С.

На основе резольной смолы и асбеста получают фаолит. Он стоек в кислотах: серной (средних концентраций до 50 С), соляной (всех концентраций до 100 С), уксусной, фосфорной (до 80 С), лимонной (до 70 С). Также устойчив в растворах различных солей (до 100 С), в том числе натрия и кальция, в атмосфере газов: хлора и сернистого ангидрида до 90…100 С. Фаолит нестоек в азотной кислоте, плавиковой кислоте и щелочах.

Из фаолита изготавливают разнообразную аппаратуру: емкости, ректификационные башни, холодильники, барботеры, арматуру, трубы и т. д. Фаолит можно эксплуатировать до 130…150 С. Фаолит сравнительно хрупок, но по механической прочности превосходит кислотостойкую керамику.

При использовании в качестве наполнителя стеклянного волокна получают стекловолокнит. Это прочный, устойчивый к вибрационным нагрузкам материал, обладающий высокой удельной прочностью и стойкостью к действию агрессивных сред и микроорганизмов.

К пресс-материалам со слоистыми наполнителями относятся текстолит, гетинакс и стеклотекстолит.

Текстолит – это прессованный материал, изготавливаемый из хлопчатобумажной ткани или других слоистых материалов (например, асбестовая ткань), пропитанных фенолформальдегидной смолой и отвержденных. Пропитанные смолой пакеты прессуются между нагретыми плитами гидравлических прессов при температуре 145-150 С. Текстолит прочнее фаолита (при растяжении в = 65-100 МПа). Он применяется для изготовления деталей, передающих усилия: шестерен, роликов для тросов, муфт и т. д.

Гетинакс имеет в качестве наполнителя бумагу и используется в электро- и радиопромышленности, особенно при изготовлении печатных схем.

Стеклотекстолит имеет высокую удельную прочность, не уступающую, а иногда и превышающую аналогичный показатель для стали, дюралюминия и титана. Предел прочности при растяжении в = 200…600 МПа Стеклопластики хорошо противостоят действию ударных и динамических нагрузок, обладают способностью гасить колебания элементов конструкций. Они стойки к воздействию растворов электролитов, масел, жидких топлив. Из них изготавливают крупногабаритные конструкции для хранения и транспортировки агрессивных жидкостей.

Прочностные свойства и теплостойкость могут быть повышены, если применять в качестве связующего материала эпоксидные, полиэфирные или кремнийорганические полимеры.

Кремнийорганические и элементорганические соединения, содержащие фосфор, алюминий и другие элементы, применяют для получения теплостойких материалов. Пластмассы на основе кремнийорганических смол сохраняют свои свойства в диапазоне температур от –60 до +250 С, а некоторые даже до 550 С. Для изготовления указанных пластмасс чаще всего применяют полисилоксаны и полифенилсилоксаны. В качестве наполнителей используют стеклянные волокна, металлические порошки, кварцевую муку и др. Из этих пластмасс изготавливают электрическое оборудование и приборы, выдерживающие кратковременные нагревы до 2000…3000 С.
^ 5.2. Резиновые материалы.

Каучуки – это высокомолекулярные соединения, которые используют для получения резин, эбонитов и лаков, клеев, вяжущих веществ. Каучуки имеют линейное строение молекул, обладают высокой эластичностью, широким диапазоном рабочих температур. При температуре -100 С они становятся хрупкими, а при 200 С – разжижаются.

^ Натуральный каучук (НК) получают из млечного сока каучуконосных тропических растений. Сок обрабатывают кислотами и затем вальцуют образующийся продукт.

^ Синтетические каучуки (СК) получают полимеризацией непредельных соединений.

В зависимости от вида исходного материала и условий его обработки изготавливают каучуки с различными свойствами и стойкостью.

Резины – продукты вулканизации каучука. Ее проводят в присутствии веществ-вулканизаторов (часто серы, оксидов металлов) при повышенной температуре. В зависимости от количества введенного вулканизатора получают мягкую резину (2…4 % S), полужесткую (12…20 % S) и жесткую резину (30…50 % S). Последняя носит название эбонит.

Резины обладают уникальной способностью к обратимой деформации (до 700 %), высокой эластичностью и прочностью (до 50 МПа), сопротивляемостью к истиранию, воздействию агрессивных сред, газо- и водонепроницаемостью.

^ Бутадиен-стирольный каучук (СКС) – сополимер бутадиена и стирола. Эбониты на его основе характеризуются высокой химической стойкостью. Они стойки в сухом и влажном хлоре, в концентрированной уксусной кислоте до 65 С, могут эксплуатироваться длительное время в 36 %-ной соляной кислоте до 80 С.

^ Бутадиен-нитрильный каучук (СКН) – сополимер бутадиена и нитрила акриловой кислоты. Резины на его основе обладают бензо- маслостойкостью, высокой сопротивляемостью абразивному износу и высокой теплостойкостью (до 100 С).

^ Хлоропреновый каучук носит название наирит. Основным сырьем для его получения являются дешевые и доступные газы – ацетилен и хлористый водород.

Наириты растворяются в органических растворителях и дают маловязкие и концентрированные растворы, которые можно легко наносить на защищаемую поверхность. Не вулканизированные покрытия из наирита являются термопластичными. Они размягчаются при температуре выше 40 С. Если их выдержать несколько дней в растворе серной кислоты или хлористого натрия при 60…70 С, то покрытие вулканизируется и приобретает свойства резины. Такие покрытия отличаются хорошим сопротивлением старению, могут работать в кислотах, щелочах и растворах солей до 70 С. Выдерживают кратковременный нагрев до 90…95 С.

Эбониты на основе наирита обладают хорошей адгезией к металлу. Это свойство используется для создания двухслойного покрытия, которое часто используется на химических заводах. Нижний слой делают из эбонита, а верхний слой выполняется из мягкой резины. Такие покрытия устойчивы к действию соляной, плавиковой, уксусной, лимонной кислот, щелочей и растворов солей до 65 С. Они разрушаются только в сильных окислительных средах – в концентрированных серной и азотной кислотах.

Бутилкаучук является продуктом совместной полимеризации изобутилена и изопрена. Он отличается инертностью к воздействию агрессивных сред, высокой газонепроницаемостью и малой водонабухаемостью. Резины на его основе противостоят действию некоторых органических растворителей.

^ Силиконовые каучуки обладают высокой теплостойкостью до 250…300 С и морозостойкостью до –50 …- 60 С. Их недостатком является сравнительно низкая коррозионная устойчивость.

Фторкаучуки являются непревзойденным материалом по химической стойкости и теплостойкости. Изделия на их основе можно эксплуатировать в сильно агрессивных средах и окислителях до температуры 200 С. Недостатком этого вида каучука является его сильная усадка, что затрудняет применение для защиты химической аппаратуры.
^ 5.3. Материалы с особыми электрическими свойствами.

Сплавы, имеющие точно определенный состав и специальные физические или физико-механические свойства, называют прецизионными. К прецизионным относят сплавы со специальными магнитными, электрическими, тепловыми, упругими и другими свойствами.

Большинство прецизионных сплавов создано на основе Fe, Ni и Co, либо на основе их сочетания (например, Fe-Co, Fe-Ni, Ni-Co). Для усиления соответствующих физических свойств сплавы легируют другими химическими элементами. Как правило в этих содержание углерода  0,005…0,05 %. Очень важно для получения требуемых свойств прецизионных сплавов обеспечить строгое соблюдение режимов промежуточных и окончательных обработок на всех этапах их изготовления.
5.3.1. Сплавы с высоким электрическим сопротивлением

Сплавы с высоким электрическим сопротивлением находят применения в двух областях – для нагревателей и в измерительных приборах, где требуется точность воспроизведения электрического сопротивления.

Для сопротивлений-нагревателей с высоким электрическим сопротивлением (порядка 1…1,510-6 Омм) обычно используют сплавы со структурой твердого раствора. Твердые растворы обладают высокой пластичностью, поэтому такие сплавы легко деформируются в ленту или проволоку. Нагреватели должны обладать хорошей окалиностойкостью и достаточной прочностью при высоких температурах для сохранения формы при работе.

В качестве окалиностойких материалов с высоким электрическим сопротивлением применяют хромоалюминиевые низкоуглеродистые стали ферритного класса – Х13Ю4 (фехраль), 0Х23Ю5 (хромель), 0Х27Ю5А. Чем выше содержание в сплавах хрома и алюминия, тем выше окалиностойкость и максимальная рабочая температура нагревательного элемента, составляющая соответственно 900, 1100 и 1200 С.

Количество углерода в сплавах строго ограничивают (0,06…0,12 %), так как появление карбидов снижает пластичность и сокращает срок службы нагревателей.

Как сплавы высокого электрического сопротивления для нагревателей также используют сплавы на основе никеля - нихром Х20Н80 (до 1050 С) и ферронихромы Х15Н60, (до 1050 С) ХН20ЮС (до 875 С), ХН60Ю3 (до 1125 С). Нихромы и ферронихромы более пластичны и жаропрочны, чем сплавы системы Fe-Cr-Al, но значительно дороже.

Для резисторов в приборах применяют сплавы на основе меди – никелин, константан, манганин и мельхиор. Сплавы этого типа имеют электрическое сопротивление примерно в 3-4 раза более низкое по сравнению со сплавами для нагревательных элементов, а главное, более низкую рабочую температуру (300…400 С), но обладают высокой стабильностью свойств.
^ 5.4. Материалы с особыми магнитными свойствами

5.4.1. Магнитные стали и сплавы

По магнитным свойствам материалы делят нам ферромагнетики, парамагнетики и диамагнетики. Наибольший технический интерес представляют ферромагнетики.

В ферромагнетиках весь объем тела разделен на области – домены, разделенные узкими границами, называемыми стенками доменов. Размеры доменов составляют 0,01…0,1 мм. Каждый домен намагничен до насыщения и обладает определенным магнитным моментом. Направления этих моментов для разных доменов различны (рис. 5.1), так что в отсутствие внешнего поля суммарный магнитный момент всего тела равен нулю.



Рис.5.1. Схема процесса намагничивания ферромагнетика
Действие внешнего поля на разных стадиях процесса намагничивания различно. Вначале, при слабых полях, наблюдается рост доменов, магнитные моменты которых составляют наименьший угол с направлением внешнего поля, за счет доменов с неблагоприятной ориентировкой магнитных моментов путем движения стенок доменов. Всякая неоднородность структуры препятствует этому процессу. После того, как будут поглощены все домены с неблагоприятной ориентировкой магнитных моментов, в более сильных магнитных полях имеет место поворот магнитных моментов доменов в направлении поля. В результате этих процессов индукция магнитного поля в ферромагнетике в зависимости от величины внешнего поля меняется нелинейно, достигает насыщения и при снятии внешнего поля остается остаточная магнитная индукция Вост (рис. 5.2). При неоднократном изменении направления намагничивающего поля формируется замкнутая кривая намагничивания – петля гистерезиса.



Рис. 5.2. Петли магнитного гистерезиса: а – магнитно-мягкий материал; б – магнитно-жесткий материал
Напряженность магнитного поля, при которой магнитная индукция сводится к нулю, называется коэрцитивной силой Hс. Наклон зависимости величины магнитной индукции от напряженности магнитного поля определяет величину магнитной проницаемости материала:
,
где 0 – магнитная постоянная.
Произведение называется магнитной энергией или энергией перемагничивания.

Магнитно-мягкими называют материалы с высокой начальной магнитной проницаемостью и малой коэрцитивной силой (рис. 5.2, а).

Магнитно-твердыми материалами называют материалы с высокой коэрцитивной силой и малой начальной магнитной проницаемостью (рис. 5.2, б). Для большинства магнитных материалов наблюдается линейная зависимость между начальной проницаемостью и коэрцитивной силой.

К магнитно-мягким относятся такие материалы с однородной структурой, как техническое железо, электротехническая сталь (сплав железа с кремнием), альсиферы (сплавы Fe-Si-Al), пермалой (Fe+78,5 % Ni) и супермаллой (Fe-5 % Mo-79 % Ni).

Техническое железо (марки Э, ЭА, ЭАА) используют для магнитопроводов постоянного тока (электромагниты, реле и т.п.). Недостатком чистого железа являются большие потери мощности из-за вихревых токов, возникающих при перемагничивании.

Легирование стали кремнием значительно повышает электрическое сопротивление и снижает потери за счет вихревых токов. Кремний также повышает магнитную проницаемость и индукцию, снижает коэрцитивную силу и потери на гистерезис. Поэтому для использования в переменных магнитных полях (трансформаторы, электродвигатели и т. п.) используют электротехническую сталь.

Электротехническую сталь принято маркировать буквой Э, первая цифра за которой соответствует содержанию кремния в процентах, вторая цифра – удельным потерям на перемагничивание (1 – нормальные удельные потери, 2 – пониженные, 3 – низкие), 0 в конце марки указывает, что сталь холоднокатаная текстурированная, 00 – холоднокатаная малотекстурированная. Следовательно, горячекатаными электротехническими сталями являются Э11, Э12, Э21, Э32, Э41, Э42, Э43, а холоднокатаными – Э1100, Э310, Э3100 и т. д.

Пермаллои и альсиферы используют в слаботочной технике (радио, телеграф, телефон).

При высоких частотах используют ферриты, обладающие очень высоким электрическим сопротивлением. Их получают спеканием порошков Fe2O3 и оксидов двухвалентных металлов ZnO, NiO, MnO и др. Для характеристики ферритов обычно используют начальную магнитную проницаемость, например 2000 НС, 6000 НМ (НС – означает никелькремниевый, НМ - никельмарганцевый).

Для создания постоянных магнитов используют магнитно-жесткие материалы. Структура, обеспечивающая такие свойства должна быть очень неоднородной. Либо это мартенсит с большим числом дислокаций и границ зерен (стали У8-У10 либо хромистые стали типа ЕХ3, ЕХ5К5), либо это стареющие сплавы с мелкодисперсной распределенной в матрице второй фазой (сплавы системы Fe-Al-Ni-Co), либо сплавы с упорядоченной структурой (Co5Sm).

Одним из очень эффективных материалов, используемых для этих целей являются литые сплавы системы Fe-Al-Ni-Co, содержащие 7-9 % Al, 12-19 % Ni, 14-40 % Co и 3-4 % Cu (ЮНДК15, ЮН14ДК25А, ЮНДК31Т3БА, ЮНДК40Т8АА, ЮНДК35Т5БА, ЮНДК35Т5АА – в порядке возрастания магнитной энергии от 6 до 40 кДж/м3). Их высокая магнитная энергия достигается в результате закалки с температуры 1250-1300 С и последующего старения при 600-650 С. Структура сплава после такой термической обработки состоит из ферромагнитной матрицы и ферромагнитных дисперсных частиц.

Дефицит никеля и кобальта привел к созданию таких сплавов для постоянных магнитов, как 71ГЮ (71 % Mn, Al остальное), 70ГГл (системы Mn-Ga).

5.4.2. Сплавы с особыми упругими свойствами и заданным температурным коэффициентом теплового расширения

Прецизионные сплавы с высокими упругими свойствами используются в приборостроении для изготовления упругих чувствительных элементов. Эти сплавы подразделяют на фероромагнитные, с температурно-стабильным модулем упругости, и немагнитные, с низким модулем упругости.

К ферромагнитным сплавам на основе системы Fe-Ni принадлежат элинвары 36НХ (36 % Ni и 12 % Cr), 42НХТЮ и 44НХТЮ (41,5…45,5 % Ni,; 5,0…5,9 % Cr; 2,2…3,0 % Ti; 0,4…1,0 % Al) практически не обладающие температурной зависимостью упругих модулей.

Сплавы 42НХТЮ и 44НХТЮ подвергают термической обработке – закалке от 950С и отпуску-старению при 700 С в течение 4 ч.

Термическая обработка позволяет получать значения температурного коэффициента модуля Юнга в пределах  1,510-5 К-1 в интервале температур 20…100 С.

К немагнитным аустенитным сплавам с низким модулем упругости относятся 36НХТЮ и 36НХТЮМ8.

Зависимость расширения металла от температуры нагрева носит нелинейный характер. В сплавах Fe-Ni температурный коэффициент теплового расширения имеет аномалии, связанные с магнитным превращением. Это позволило создать сплавы с заданными коэффициентами теплового расширения.

Сплав с 36 % Ni 36Н, называемый инваром, имеет минимальный температурный коэффициент теплового расширения ( = 1,510-6 К-1). Сплав с 42 % Ni имеет постоянный коэффициент теплового расширения в интервале температур от –80 до +100 С. Инвар, легированный кобальтом и медью, 32НКД (31,5…33 % Ni, 3,2…4,2 % Co и 0,6…0,8 % Cu) имеет еще более низкий коэффициент теплового расширения ( = 110-6 К-1) и называется суперинваром. Сплав 29НК (28,5-29,5 % Ni и 17…18 % Co) предназначен для пайки и сварки с термостойким стеклом, так как имеет такой же коэффициент теплового расширения ( = 4,5…6,510-6 К-1) и называется коваром.

Сплав 47НД (46…48 % Ni и 4,5…5,5 % Cu) имеет такой же коэффициент теплового расширения, как платина и нетермостойкие стекла ( = 9…1110-6 К-1) и называется платинитом. Платинит используется для сварки и пайки с нетермостойкими стеклами в электровакуумной промышленности.

В качестве терморегуляторов в приборостроении используют биметаллические пластинки, сваренные из двух материалов с различным значением коэффициента теплового расширения.

Для этих целей обычно используют инвар 36Н, имеющий минимальное значение коэффициента, и сплаву с 25 % Ni, у которого коэффициент очень большой ( = 2010-6 К-1). При нагреве пластинка биметалла искривляется и замыкает или размыкает электрическую цепь.
5.4.3. Сплавы с эффектом памяти формы

В последние десятилетия в технике все более широкое использование получают сплавы, обладающие эффектом памяти формы, т. е. способностью восстанавливать форму в результате протекания фазовых превращений.

В основе этого эффекта лежит явление термоупругого мартенситного превращения, предсказанного Г.В. Курдюмовым в 1948 г. и затем обнаруженного им на алюминиевой бронзе с 14 % Al и 1,5 % Ni. Термоупругое мартенситное превращение обратимо и характеризуется температурами Мн, Мк начала и конца прямого мартенситного превращения при охлаждении и Ан, Ак начала и конца обратного мартенситного превращения при нагреве.

Эффект памяти формы проявляется в том, что если изменение формы материала проводить при температурах ниже Мн, а затем материал нагреть выше Ак, то проявляется возврат к исходной форме. Величина обратимой деформации может достигать 8…10 %.

В настоящее время эффект памяти формы обнаружен в сравнительно большом числе сплавов с различной основой – никелиде титана (нитиноле) Н50Т50, сплавах на основе меди Cu-Al-Ni, Cu-Zn, Cu-Zn-Al, сплавах Ni-Al, Mn-Cu, Mn-Ni и др.

При восстановлении формы элемент, изготовленный из таких сплавов, способен развивать значительное усилие, величина которого линейно возрастает с перегревом относительно температуры Ан начала обратного мартенситного превращения. Нагрузка, необходимая для деформирования в цикле эффекта памяти формы, обычно ниже, чем усилие, развиваемое при восстановлении, что позволяет элементу совершать работу за счет тепловой энергии величиной до 40 МДж на 1 м3 материала.

Сплавы с эффектом памяти формы способны также к псевдоупругому поведению. Псевдоупругость реализуется при нагружении такого же элемента в температурном диапазоне выше Ак и заключается в восстановлении приобретенной неупругой деформации после снятия нагрузки. Такое поведение характеризуется напряжениями м и А, описывающими нагрузки неупругого обратимого деформирования соответственно при нагружении и разгружении. При этом А эквивалентно усилию, создаваемому при проявлении эффекта памяти формы. м и А также линейно зависят от перегрева относительно температуры Ан. Величина гистерезиса  = м - А зависит от состава сплава, условий нагружения и температуры и может составлять от 10 до 100 МПа. Схема механического поведения сплавов с эффектом памяти формы при нагружении одноосным сжатием или растяжением в различных температурных диапазонах приведена на рис. 5.3.




Рис. 5.3. Схема механического поведения сплава с эффектом памяти формы при одноосном нагружении
В низкотемпературном состоянии, ниже Мк, материалы с эффектом памяти формы обладают также высокими демпфирующими свойствами, т. е. способностью гасить колебания.

Материалы с эффектом памяти формы, иногда в монокристаллическом состоянии, получили широкое распространение в космической технике (в частности, для антенн), авиации, атомной энергетике (для соединения элементов трубопроводов без сварки, в качестве термодатчиков), в медицине (в качестве протезов, соединителей костных отломков), робототехнике (металлические мышцы роботов) и других областях.


^ Библиографический список
1. Фетисов, Г. П. Материаловедение и технология металлов [Текст]: учебник./Г. П. Фетисов и др. - М.: Высшая школа, 2000 – 638 с.

2. Шашков Д. П. Материаловедение [Текст]: учебник. – М.: МАДИ, 2003 – 329 с.

3. Материаловедение. Технология конструкционных материалов [Текст]: учебник / Под ред. В.С. Чередниченко. – М.: ОМЕГА – Л, 2007. – 752 с.

4. Материаловедение и технология конструкционных материалов [Текст]: учебник/ Под ред. В. Б. Арзамасова, А. А. Черепахина – М.: Академия, 2009. – 448 с.

5. Арзамасов, Б. Н. Материаловедение [Текст]: учебник/ Б. Н. Арзамасов и др. – М.: Изд-во МВТУ им. Н. Э. Баумана, 2003. – 648 с.
ОГЛАВЛЕНИЕ


Предисловие……………………………………………..

3

Тема 1 ОСНОВЫ СТРОЕНИЯ И СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ.

^ ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ………………………………………………………

    1. Структура материалов…………………………………………………………………

1.1.1. Полиморфизм………………………………………………………………………………

1.1.2. Строение реальных кристаллов………………………………………………………….

1.1.3. Линейные дефекты………………………………………………………………………..

1.1.4. Поверхностные дефекты…………………………………………………………………..

1.1.5. Объемные дефекты………………………………………………………………………..

1.1.6. Кристаллизация металла и строение слитка…………………………………………….


4

4

8

9
11

^ 1.2. Пластическая деформация и механические свойства металлов………………………….

1.2.1. Механические свойства металлов при статических нагрузках…………………………

1.2.2. Твердость материала………………………………………………………………………

1.2.3. Механические свойства при динамических нагрузках…………………………………

1.2.4. Механические свойства при циклических нагрузках…………………………………..

1.2.5. Влияние холодной пластической деформации на структуру и свойства металлов…..

1.2.6. Разрушение металлов……………………………………………………………………..

1.2.7. Изменение структуры и свойств деформированного металла при нагреве…………..

15

15

18

19

21

22
24

^ 1.3. Процесс кристаллизации и фазовые превращения в сплавах.

Основные типы диаграмм состояния…………………………………………………………….

1.3.1. Фазы в металлических сплавах …...……………………………………….……..

1.3.2. Экспериментальные методы построения диаграмм состояния ……………………….

1.3.3. Основные равновесные диаграммы состояния двойных сплавов……………...


28

29

^ 1.4. Диаграмма железо – цементит…………………………………………………………..

32

Тема 2. ОСНОВЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ И ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ ПЛАВОВ…………………………………………………………..

^ 2.1. Основы термической обработки…………………….…….……………………………….

2.1.1. Превращения в сталях при нагреве до аустенитного состояния………………………

2.1.2. Превращения переохлажденного аустенита…………………………………………….

2.1.3. Мартенситное превращение. Структура и свойства мартенсита ……………………..

2.1.4. Превращения в закаленных сталях при нагреве ………………………………………..


34

34


39

^ 2.2. Отжиг и нормализация стали…………………………………………………………….

41

2.3. Закалка и отпуск стали………………………………………………………………………

2.3.1. Закалка сталей ….................................................................................................................

2.3.2. Отпуск стали……………………………………………………………………………….

2.3.3.Термическая обработка сплавов с переменной растворимостью в твердом состоянии…………………………………………………………………………………………

45

^ 2.4. Химико-термическая обработка. Поверхностная закалка………………………………..

2.4.1. Общая характеристика процессов химико-термической обработки стали……………

2.4.2. Цементация стали …………………………………………………………………………

2.4.3. Азотирование стали……………………………………………………………………….

2.4.4. Нитроцементация и цианирование……………………………………………………….

2.4.5. Диффузионное насыщение стали металлами и неметаллами…………………………

46

46

47

49

50

51

Тема 3. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ…………………………………..

^ 3.1. Конструкционные стали…………………………………………………………………

53

53

3.2. Чугуны………………………………………….………………………………………….

55

3.3. Сплавы на основе меди……………………………………………………………….......

58

^ 3.4. Сплавы на основе алюминия……………………………………………………………..

59

Тема 4. ПРОМЫШЛЕННЫЕ СТАЛИ……………………………………………………….

^ 4.1. Конструкционные углеродистые и легированные стали…………………………………

4.1.1. Особенности термообработки легированных сталей…………………………………..

4.1.2. Цементуемые легированные стали………………………………………………………

4.1.3. Улучшаемые легированные стали………………………………………………………

4.1.4. Рессорно-пружинные легированные стали……………………………………………..

4.1.5. Коррозионностойкие стали ……………………………………………………………

60

60

60

62

63

63

64

^ 4.2. Жаропрочные стали………………………………………………………………………

66

4.3. Инструментальные стали…………………………………………………………………..

67

^ 4.4. Износостойкие стали……………………………………………………………………….

68

Тема 5. ПЛАСТМАССЫ, РЕЗИНЫ, ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ………….

5.1. Пластмассы………………………………………………………………………………….

5.1.1. Термопластичные пластмассы…………………………………………………………..

5.1.2. Термореактивные пластмассы……………………………………………………………

69

69

69

71

^ 5.2. Резиновые материалы……………………………………………………………………

72

5.3. Материалы с особыми электрическими свойствами……………………………………..

5.3.1. Сплавы с высоким электрическим сопротивлением……………………………………

73

73

^ 5.4. Материалы с особыми магнитными свойствами………………………………………….

5.4.1. Магнитные стали и сплавы……………………………………………………………….

5.4.2. Сплавы с особыми упругими свойствами и заданным температурным коэффициентом теплового расширения……………………………………………………….

5.4.3. Сплавы с эффектом памяти формы………………………………………………………

74

74
76

76

Библиографический список…………………………………………………………………..

75


Учебное издание

Земсков Юрий Петрович

Ткаченко Юрий Сергеевич

Лихачева Людмила Борисовна

Квашнин Борис Николаевич

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ.

Курс лекций

Подписано в печать . 09. 201 1 . Формат 60 x 84 1/16.

Усл. печ. л. 10,7. Тираж 150 экз. Заказ .С-33

ГОУВПО «Воронежский государственный химико-технологический университет»

( ГОУВПО «ВГХТУ»)

Отдел полиграфии ГОУВПО «ВГТА»

Адрес академии и отдела полиграфии:

394036, Воронеж, пр. Революции, 19

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОУВПО
«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
КАФЕДРА УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ И МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ


Ю. П. ЗЕМСКОВ, Ю. С. ТКАЧЕНКО

Л. Б. ЛИХАЧЕВА, Б. Н. КВАШНИН

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Курс лекций

ВОРОНЕЖ

2011




1   2   3   4   5   6   7   8   9

Похожие:

Учебное пособие разработано в соответствии с требованиями фгос впо подготовки выпускников по направлениям 151000. 62 «Технологические машины и оборудование» iconУчебное пособие разработано в соответствии с требованиями гос впо...
З 55 [Текст] : учебное пособие / Л. Б лихачева, Ю. С. Ткаченко, Воронеж гос технол акад. – Воронеж: вгта, 2011. – 128 с

Учебное пособие разработано в соответствии с требованиями фгос впо подготовки выпускников по направлениям 151000. 62 «Технологические машины и оборудование» iconРасчетно-графическая работа (ргр) по химии
Для направления (профиля) подготовки бакалавров 151000 Технологические машины и оборудование, 190600 Эксплуатация транспортно-технологических...

Учебное пособие разработано в соответствии с требованиями фгос впо подготовки выпускников по направлениям 151000. 62 «Технологические машины и оборудование» iconУчебное пособие разработано в соответствии с требованиями гос впо...
З – 55 пособие / Ю. П. Земсков, Л. Б. Лихачева, Ю. С. Ткаченко; Воронеж гос технол акад. – Воронеж : вгта, 2009. – 128 с

Учебное пособие разработано в соответствии с требованиями фгос впо подготовки выпускников по направлениям 151000. 62 «Технологические машины и оборудование» iconМосковский городской педагогический университет
Программа составлена в соответствии с требованиями фгос впо с учетом рекомендаций и Прооп впо по направлению и профилю подготовки...

Учебное пособие разработано в соответствии с требованиями фгос впо подготовки выпускников по направлениям 151000. 62 «Технологические машины и оборудование» iconМетодические указания и контрольные задания №3, 4 для студентов-заочников...
Если все задания выполнены без ошибок, то студент допускается к защите этих работ, которая происходит во время экзаменационной сессии...

Учебное пособие разработано в соответствии с требованиями фгос впо подготовки выпускников по направлениям 151000. 62 «Технологические машины и оборудование» iconУчебно-методический комплекс дисциплины История и теория конституционализма...
Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями фгос впо по направлению подготовки

Учебное пособие разработано в соответствии с требованиями фгос впо подготовки выпускников по направлениям 151000. 62 «Технологические машины и оборудование» iconРабочая программа дисциплины «Практика в школе»
Настоящая программа составлена в соответствии с требованиями фгос впо с учетом рекомендаций Примерной основной образовательной программы...

Учебное пособие разработано в соответствии с требованиями фгос впо подготовки выпускников по направлениям 151000. 62 «Технологические машины и оборудование» iconУчебно-методический комплекс дисциплины История и теория конституционализма...
Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями фгос впо по направлению подготовки

Учебное пособие разработано в соответствии с требованиями фгос впо подготовки выпускников по направлениям 151000. 62 «Технологические машины и оборудование» iconУчебно-методическое пособие разработано на основе оригинальной авторской...
Григорьев А. В. Егэ по обществознанию. Практика – с (учебное пособие для выпускников и абитуриентов). – Изд. 2-е., переработанное....

Учебное пособие разработано в соответствии с требованиями фгос впо подготовки выпускников по направлениям 151000. 62 «Технологические машины и оборудование» iconУчебно-методическое пособие разработано на основе оригинальной авторской...
Григорьев А. В. Егэ по обществознанию. Практика – в (учебное пособие для выпускников и абитуриентов). – Изд. 3-е., переработанное....

Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2013
контакты
zadocs.ru
Главная страница

Разработка сайта — Веб студия Адаманов